從軟土地基處理淺談高壓噴射注漿法的設計與施工

[導讀]從軟土地基處理的設計與施工過程，論述高壓噴射注漿法的設計與施工中需要注意的一些問題

引言

廣州地鐵四號線為南北走向，共設27座車站，全線長68.96公里。其大學城專線(萬勝圍至新造段)已于2005年12月26日開通，新造至黃閣段于2006年12月30日通車試運營，2007年6月28日蕉門和金洲站啟用。其中黃村-新造全部為地下車站，其余為高架車站。筆者有幸承擔了廣州地鐵四號線部分車站的設計工作，并在高架線路與車站土建竣工后，開始著手進行高架區間的區間變電所的設計。本文試圖從區間變電所的地基處理的設計與施工過程，論述一下高壓噴射注漿法（旋噴樁）的設計與施工中需要注意的一些問題。

由于廣州地鐵四號線是全國第一條采用直線電機車輛技術的軌道交通線路，因此電氣要求非常嚴格。經過電氣專業的計算，確定了慶盛、新官和官橋三個區間變電所的中心里程，并強調變電所位置不應調整過大。

慶盛變電所位于東涌~黃閣北區間DZ88墩柱，中心里程YDK44+565.300。詳勘報告顯示，其地質狀況相當不好，共有平均厚度約13.51米的淤泥及淤泥質土，呈飽和、流塑或軟塑狀態，屬高壓縮性欠固結軟土，建議承載力特征值為fak=40kPa。而在淤泥質土下方為平均厚度14.78米的中粗砂層。

慶盛變電所為兩層混凝土框架結構，經過初步計算，需要的地基承載力特征值約為120kpa，與現有地基的承載力特征值fak=40kPa相差甚遠。故必須進行地基處理以滿足承載力要求。但當時高架區間箱梁已架設完畢，箱梁底離地面僅5.5m，受到箱梁高度的限制，沒有施工條件進行預應力管樁或鉆（沖）孔灌注樁的施工。綜合成本、工期、最終效果等要素考慮，本工程最終決定采用高壓噴射注漿法對現有地基進行處理。

高壓噴射注漿法按噴射方式分為旋噴、定噴和擺噴三種類別。其中定噴和擺噴兩種方法通常用于基坑防滲、改善地基土的水流性質和穩定邊坡等工程。而旋噴則通常用于地基加固等用途。下面詳細論述一下旋噴樁的設計與使用。

1 旋噴樁的平面布置與樁長的確定

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）的規定，豎向承載旋噴樁復合地基承載力特征值應通過現場復合地基荷載實驗確定。實際設計中，基本都是通過公式確定其復合地基的承載力特征值的：
        Ra=nfcuAp；
        Ra=up∑qsili+qpAp
        fspk=m(Ra/Ap)+β(1-m)fsk

上面公式的各種參數取值范圍可參看《建筑地基處理技術規范》中相關條文，此處不一一論述。需要特別說明的是，上式中Ra的確定。有時候按照理論計算，樁長較短即可滿足計算要求。以本工程為例，當面積置換率為0.11時，樁長約十米即可滿足。但由于淤泥層本身就已經厚14米了，為了控制沉降率，旋噴樁的樁長應伸入下部持力層約一米為妥。而此時單樁豎向承載力特征值就非常有可能是由樁身的水泥土強度控制了，實際計算時要注意這點。另外，在本工程中，由于軟土地基的承載力很差，建筑物的基礎形式定為筏板基礎，以最大限度地減少建筑物的沉降差。這個時候，可以在建筑物的地下室側墻地下，有意識地加大旋噴樁的面積置換率，也就是適當加密旋噴樁，以承受地下室側壁帶來的集中荷載。同樣的，在筏板基礎的明梁或暗梁地下，也應適當加密旋噴樁，這對減少底板的變形是很有好處的。如果建筑物采用的是柱下獨立基礎，且需要較高的符合地基承載力，也最好考慮一下在獨立基礎下加密旋噴樁。在本工程中，旋噴樁的平均間距約為1.6m，最大間距1.95m，最小間距0.9（柱下加密區域），面積置換率m=0.10。而在樁長方面，考慮到旋噴樁應充分穿越軟土層，故定下的平均樁長為15m左右，持力層為中粗砂層。

2 旋噴樁樁身直徑的選取

當前，高壓噴射注漿法的基本工藝類型有：單管法、二重管法、三重管法和多重管法等四種方法。單管法和二重管法的施工機械一般是通用的，三重管法和多重管法就必須特定的施工機械。具體使用哪種施工機械，是跟旋噴樁的樁身直徑、加固土的類型和密實程度有很密切的關系的。對粘性土地基加固，單管旋噴樁加固直徑一般為0.3～0.8m；三重管旋噴注漿加固體的直徑可達0.7～1.8m，而二重管旋噴注漿加固體的直徑介于以上兩者之間。多重管法的旋噴直徑則可達2.0～4.0m。定噴和擺噴的有效長度約為旋噴直徑的1～1.5倍。而在砂性土中可形成的旋噴固結體直徑，一般會比在粘性土中要大一些。

在具體施工實施中，三重管和多重管法由于有氣流影響，在粉質砂土中形成的樁體外表可能會比較粗糙。而無論哪種施工工藝，如果不采取特別的措施，當旋噴樁的樁長較長時，均有可能形成上粗下細的形狀。因此，設計人員在設計時，應綜合考慮承載力、現場土質、施工空間等各種影響因素，設定恰當的樁身直徑及樁長。在本工程中，旋噴樁的直徑最終定為Φ=600mm，施工工藝為單管法和二重管法都可，建議使用二重管法。

3 水泥漿水灰比與樁身水泥土的抗壓強度

待加固的土體，經過水泥漿的高壓噴射后，土粒重新排列，并與水泥漿液混合。但漿液的分布是不平均的，一般來說，固結體外側的漿液成文較多，因此在橫斷面上，中心強度較低，外緣部分強度較高。因此，影響固結體強度的主要因素是土質和水泥漿液，有時候使用相同比例的水泥漿液，在軟粘土中的固結強度會大幅度小于砂土中的固結強度。據統計，一般在粘性土和黃土中的固結體，其抗壓強度可達5～10Mpa，在砂土和砂礫中的固結體的抗壓強度可達8～20Mpa。
在施工的初期、中期和完工后，為確保工程質量，進行了數次多種方法的質量檢驗，結果表明，旋噴樁樁間土由于收到高壓噴射作用的影響，強度得到的一定程度的提高，而淺層開挖后發現，實際旋噴樁固結體的直徑約為750～850mm，大大超過設計要求。經抽芯檢查，噴射固結體的強度也滿足設計要求。

4 砂石墊層的鋪設

鋪設砂石墊層是地基處理中很重要的一環，旋噴樁施工完成后，必須鋪填一定厚度的砂石墊層，以起到分散上部荷載，平均地基的應力分布，減少樁間土濕陷，減少建筑物沉降差的作用。在含水量大的地方，砂石墊層應適當加厚，可以防止復合地基中出現“橡皮土”現象。在本工程中，砂石墊層厚為350，砂石墊層（碎石：石屑：中粗砂：水=5：3：1：1）；攪拌均勻，分層夯實（分層厚度不大于150），夯填度（夯實厚度與虛鋪厚度之比）小于0.9。

5 質量檢驗

高壓噴射注漿可根據工程要求和當地施工經驗采用不同的檢驗方法：開挖檢查，取芯，標準貫入試驗，荷載試驗或圍井注水試驗（采用高壓擺噴灌漿構筑垂直防滲板墻時采用）等。而《建筑地基處理技術規范》規定，豎向承載旋噴樁地基竣工驗收時，承載力檢驗應采用復合地基荷載試驗和單樁荷載試驗。荷載試驗宜在成樁28d后進行，檢驗數量為樁總數的0.5%～1%，且每項單體工程不應少于3點。除荷載試驗外，尚應根據需要對建筑物進行沉降觀測。本變電所竣工3個月后，各觀測點所得到的沉降量平均為3～4mm，滿足規范要求。

高壓噴射注漿法是一種比較實用的地基處理方法，它和水泥土攪拌法互有優缺點，在適用范圍上也有互補性，是多層與高層建筑的復合地基的主流。毋庸置疑，熟練掌握各種地基處理方法，對結構設計人員及施工人員是非常必要的。希望本文對旋噴樁復合地基的解構，能幫助大家加深對高壓噴射注漿法的認識。

參考文獻：

[1]建筑地基基礎設計規范（GB50007-2002）.

[2]建筑地基處理技術規范（JGJ79-2002、J220-2002）.

[3]建筑地基基礎工程施工質量驗收規范（GB50202-2002）.

[4]葉書麟，葉觀寶.地基處理與托換技術（第三版）.北京.中國建筑工業出版社.2005.